丰源煤矿矿井涌水规律及控制因素分析

孟和 尚彦军 张腾飞

摘   要：丰源煤矿位于新疆呼图壁县白杨沟内，井田开采历史较长，存在大量老窑水富集区，且紧邻白杨沟河，故煤矿主井长期面临涌水问题，对主井进行了近两年的排水，涌水量仍未见明显降低，推测主井与白杨沟河、老窑水之间存在较复杂的导水通道。对丰源煤矿及其邻区开展了构造地质调查、水文地球化学分析、地球物理勘探等工作，对矿井突水通道位置和范围变化等情况进行了空间动态连通性分析，基本查明了影响矿井涌水量的主要因素，即：①NE向的断层F4、F5有一定阻水性;②NW向、近EW向节理、断层密集带构成了区域的优势导水结构面;③塌陷坑及河道衬砌严重破坏段为拉张塌陷区，构成了地表水和浅层潜水的主要渗漏补给区。

关键词：丰源煤矿;矿井涌水;连通性分析;导水通道

丰源煤矿井田内各煤层受地下水的直接充水，各含水层相互连通，由于采煤过程中形成大面积采空区及火烧区，现已出现暂时性地表洪流直接灌入。但老窑积水情况未查明，沿白杨沟河岸孔隙潜水丰富，烧变岩富水性也尚未查明。因此，急需查明丰源煤矿导水通道位置及影响矿井涌水量的主要因素，以保证煤矿安全生产[1-10]12。

1  研究区地质

1.1  气象水文

白杨沟河南为松树林带，沟北为陡峻的哈拉巴斯陶特力斯嘎山脊，沟底至山脊顶部坡角达30º以上，部分地段为陡崖。白杨沟河发源于天山雪峰，从井田南部流过。白杨沟河中下游的河床宽25～100 m，坡降0.3%，据呼图壁河水文站1994年在白杨沟河出口处观测计算资料，该河6～7月为洪水期，月平均流量4.34～6.64 m3/s，流经井田的水位标高1 545～1 640 m（图1）。

1.2  地层岩性

工作区内主要出露侏罗系三工河组、西山窑组、头屯河组、第四系全新统洪冲积砂砾层及残坡积物（表1）。

1.3  地质构造

1.3.1  节理

工区岩石节理发育，至少发育走向50°、85°和320° 3组节理，但总体呈NE向，其中大致230º（50º）走向的节理最发育。节理一般产状稳定，延伸较远，节理面平直光滑，局部可见节理切穿胶结物及砾石，判断研究区剪节理最发育。

对现场28个地质点上测量的36组节理绘制节理极点等密图，发现优势节理的产状为318°∠80°     （图2），节理走向玫瑰花图发现节理有3组（图3），从频数由大到小依次是：50°、85°和320°。

1.3.2  断层

现场调查发现从鸿新白杨沟煤矿主副矿井开始，自西向东至白杨沟煤矿生产调度房，发育了6条断层（表2，图4）。从西向东依次编号F1～F6。

2  水文地质

2.1  三水转化条件

大气降水  工作区山北坡地形坡度15°～20°，坡面多被第四系黄土覆盖，不利于大气降水渗入补给。山南坡岩石裸露，在中-粗粒砂岩出露地段，微地形呈陡坎状，不利于接受大气降水渗入补给。在泥岩、粉砂岩裸露区段，地形坡度较大，降落于地表的雨水，易汇成暂时性地表水流，向白杨沟河排泄。因此，地形地貌对大气降水入渗补给不利。

地表水  白杨沟河发源于南部高山区，由南而北顺地层倾向径流。该河在白杨沟煤矿的南部边界处，由南向北转为东西流向，并沿地层走向由西至东流经工区南部边缘，最终汇入呼图壁河。

地下水  据新疆地矿局第九地质大队钻孔编录资料，井田内侏罗系由泥岩、粉砂岩、粗砂岩、砾岩及煤层以互层韵律形式组成，各种岩石单层厚度可由数厘米变化到数米，乃至数十米。因此，难以按单岩性岩层划分含、隔水层，只能以较大岩性段来划分。通过钻孔简易水文地质观测，将泥岩等细颗粒岩石划分为相对隔水层，将粗砂岩、砾岩等岩石划分成含水层（表3，图5）。

2.2  地表水与地下水联系

通过对区域水文地质条件的了解和认识，可知区内地下水的补给主要有两方面：一是流经井田南界的白杨沟河河水沿地表风化、构造裂隙侧向渗透补给地下水;二是蓄存在河床两岸卵砾石中的孔隙潜水，通过下伏侏罗系煤系的构造、风化裂隙顺层补给侏罗系煤系地层。分布于井田南部白杨沟河北岸的火烧层，接受大气降水及白杨沟河河水的侧向补给，蓄积了大量的烧变岩裂隙潜水，该含水层蓄积的潜水可通过岩石变形产生的裂隙顺地层补给赋煤地层。

2.3  水文地球化学

收集的《呼图壁县白杨沟煤矿详查报告》中ZK1孔及研究区的取水样点水化学特征见表4。

根据丰源煤矿水样化学分析结果（表5），绘制皮伯三线图解（图6）。可见，矿井东翼井1和白杨沟路南泉水点FY8成分较接近，而矿井西翼井2的成分介于河水水样FY5和北部垭口水塘樣FY90之间。说明矿井井下东西翼的水样成分并不接近，可能分属东西两个不同的水循环系统。从地质构造上看，该区主要受到阻水断层F4的隔水作用。

3  矿区地表塌陷及河道整治

工作区分别于2014年9月21日凌晨6时、2014年12月3日、2015年1月29日凌晨，发生3次地面塌陷（均为采空区塌陷），形成3个呈NS向的塌陷坑，每个坑口直径约为25 m，深度约10～12 m（图7）。其中，第三次塌陷造成白杨沟河断流，河水全部灌入塌陷坑内，经过约72 h后，从白杨沟路南侧集中涌出，现在该处仍有泉水出现。3个塌陷坑中间到白杨沟路南泉水出露点直线距离2 184 m。结合地质构造，该区应为大范围的拉伸塌陷区，且靠南侧应存在大面积采空区，同时在南岸下游的白杨沟煤矿出现井下水量增大，而后北岸的丰源煤矿井下出水量增多，说明老窑水并非独立或封闭的，其间有一定的水力联系通道。

2016年10月对白杨沟河道内底部裂缝部分，进行了全面的堵漏治理（图8）。通过白杨树矿上部、丰源煤矿外下部两个相距约2 km的河流断面过流量量测  （用浮标法），发现上下游流量差明显减小，由治理前9月份的263 m3/h，减小到治理后11月初的32 m3/h，流量差明显减小。2017年12月4日现场测量，井下钻孔出水量57 m3/h。12月4日从丰源煤矿桥上游约300 m处开始截流，使河水进入混凝土管排流，以保障涌水和减轻河床渗漏。至12月13日，井下钻孔出水量减小为51 m3/h。

4  地球物理勘探

本项目地球物理勘探工作主要采用高密度电阻率的方法，并与地质调查结果起到一定相互印证的效果（图9，表6）。

5  结论

（1） 本区断层、节理密集带和含水层构成了地下水导水通道和导水层。其中位于丰源煤矿中西部的NW向节理和近EW向的河下游顺沟F6张扭性    （正断左行）断层，是相对集中的导水通道。

（2） 本区砂、砾岩含水层，老窯水为季节性调蓄池或缓冲区，而泉水和井下出水点构成了地下水排泄点，故井下涌水流量较稳定。

（3） 井田南侧的3个塌陷坑和河道衬砌破坏区组成的拉张塌陷区，构成了地表水和浅层潜水的主要渗漏补给区，单纯的全河道均等衬砌不能从根本上隔断水的流动。

（4） NE向规模较大的断层F4和F5有一定阻水性，故其西侧地下水有一定的承压和雍高。

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Abstract：Fengyuan Coal Mine is located in Baiyanggou，Hutubi County，Xinjiang，with a long mining history，and close to Baiyanggou River.The main shaft of coal mine has been faced with mine Inflow problem for a long time. After draining the main shaft for nearly two years， the mine Inflow has not been significantly reduced.It can be inferred that there are more complex water diversion channels between the main shaft and Baiyanggou River，goaf and fire zone.Based on a large number of tectonic geological survey， hydrogeochemical analysis and geophysical exploration work in Fengyuan Coal Mine and its territory，and combined with the distribution of goaf，burning area，the location and scope of mine Inflow，the spatial dynamic connectivity and spatial mining activation factors are analyzed.The water filling factors，water source composition， water diversion channel and main factors affecting the location and scope of mine Inflow in Fengyuan Coal Mine are basically obtained.

Key words：Fengyuan coal mine;Mine Inflow;Water source composition;Water diversion channel